Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
Россия
Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Выполнен анализ динамического состояния механической системы разработанной конструкции технологического робота для алмазного выглаживания поверхностей деталей машин. Определена амплитудно-фазовая частотная характеристика для устойчивого процесса алмазного выглаживания поверхностей деталей. Проведены сравнительные экспериментальные исследования процесса алмазного выглаживания с установкой инструмента на токарно-винторезном станке и с использованием разработанного одностоечного технологического робота.
качество, поверхностный слой, деталь, динамическая жёсткость, робот, алмазное выглаживание, механическая система
Для промышленного робота, выполняющего технологическую операцию – алмазное выглаживание поверхности детали, характеристика системы Wu представляет собой характеристику незамкнутой динамической системы, определяемую внешним воздействием алмазного инструмента (выглаживателя) на обрабатываемую поверхность и вычисляемую по формуле
где y, y(t) – входные и выходные внешние воздействия в замкнутой системе (рис. 2а); Wд – динамическая характеристика промышленного робота, определяемая его конструкцией.
Если принять допущение о том, что конструкция промышленного робота для выполнения технологических операций может быть представлена как разомкнутая система третьего типа, то динамическая характеристика Wд определится по формуле [4]
где WEUS – динамическая характеристика эквивалентной упругой системы, соответствующей разработанной компоновке промышленного робота (рис. 1а); WOU – динамическая характеристика технологической системы «рука промышленного робота – алмазный выглаживатель – деталь – шпиндель станка».
Известно, что динамическая система считается устойчивой, если её отклонение от заданного состояния в переходном процессе, вызванном, например, ограниченным по величине воздействием y(t), со временем уменьшается [5; 6]. С учетом этого из анализа амплитудно-фазовой частотной характеристики промышленного робота, выполняющего алмазное выглаживание поверхности детали (рис. 2б), следует, что динамическая система будет находиться в равновесии в том случае, когда характеристика Wt отсекает на отрицательной вещественной оси отрезок Re ˂ |1|. В том случае, когда Re = 1, динамическая система промышленного робота находится на границе устойчивости и по этому отрезку можно оценить основные технологические показатели процесса алмазного выглаживания поверхности детали: усилие выглаживания, радиус алмазного индентора, скорость вращения обрабатываемой детали, величину продольной подачи, температуру в зоне контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью детали и т.д. Это даёт возможность оперативно управлять работой промышленного робота, выполняющего технологические операции, так как указанные характеристики тесно связаны с автоколебательными процессами рассматриваемой динамической системы, получая при этом высокие показатели качества поверхностного слоя детали.
Экспериментальные исследования качества обработанной поверхности детали
Проведены сравнительные экспериментальные исследования процесса алмазного выглаживания с установкой инструмента на токарно-винторезном станке мод. 1А620 и с использованием разработанного одностоечного технологического робота (рис. 2а). Обработке подвергались цилиндрические валики из стали 30ХГСА диаметром
После алмазного выглаживания определялись все перечисленные показатели качества поверхностного слоя детали: Ra, Wz, Hmax, Sm, HV, σост, Δh. В табл. 1 приведены значения этих показателей как средние арифметические по результатам десяти последовательно выполненных измерений, анализ которых свидетельствует о высокой эффективности использования разработанного технологического ПР для улучшения показателей качества поверхностного слоя деталей, подвергнутых алмазному выглаживанию. Это, в свою очередь, способствует существенному повышению эксплуатационных показателей деталей машин.
Таблица 1
Показатели качества поверхностного слоя деталей, подвергнутых алмазному выглаживанию
|
Способ обработки |
W∑, мкм |
Hmax, мкм |
Ra, мкм |
Sm, мкм |
σост, МПа |
HV, ГПа |
Δh, мм |
|
На токарном станке |
12,5 |
68 |
0,35 |
0,84 |
175 |
143 |
0,37 |
|
С использованием ПР |
4,2 |
25 |
0,30 |
0,56 |
190 |
151 |
0,39 |
Выполнено экспериментальное исследование влияния усилия обкатки Рв на общую жёсткость технологической системы j при алмазном выглаживании образцов из стали 30ХГСА диаметром 24 мм и длиной 320 мм (рис. 3), из которого следует, что жёсткость системы с установленным одностоечным технологическим роботом в 1,5-1,8 раза выше жёсткости системы при использовании токарного станка мод. 1А620. Было установлено (рис. 4), что повышение жёсткости технологической системы при алмазном выглаживании с использованием технологического робота позволяет уменьшить разброс микротвёрдости материала поверхностного слоя деталей HV, обеспечив существенное снижение интенсивности изнашивания деталей трибосистем.
С использованием метода планирования эксперимента типа 2к была получена следующая эмпирическая формула для прогнозирования эксплуатационных показателей качества К (Ra, σост, HV) при алмазном выглаживании поверхностей деталей из низкоуглеродистых сталей с пределом текучести σт = 200-300 МПа в зависимости от жёсткости используемой технологической системы j, режимов обработки Рв, V, Sв и начального значения определяемого показателя Кнач ((Ra)нач, (σост)нач, (HV)нач):
где Ck, a, b, c, d, f – коэффициент и показатели степеней, значения которых приведены в табл. 2.
Полученная эмпирическая формула (1) может быть применена для прогнозирования показателей качества поверхностного слоя деталей, подвергаемых алмазному выглаживанию с использованием технологического робота.
Заключение
Таким образом, результаты выполненных исследований позволяют сделать следующие выводы:
- Применение в процессах алмазного выглаживания поверхностей деталей машин технологических роботов вместо традиционного выполнения подобных операций на металлорежущих станках позволяет существенно повысить жёсткость технологической системы.
Таблица 2
Значения коэффициента Ck и показателей степеней a, b, c, d, f для определения показателей
качества при алмазном выглаживании поверхностей деталей из сталей с пределом текучести
σт = 200-300 МПа
|
Показатель качества, К |
Размер- ность |
Ck |
a |
b |
c |
d |
f |
Условия и ограничения |
|
Ra |
мкм |
0,028 |
0,185 |
0,307 |
0,912 |
0,456 |
0,371 |
(Ra)нач = 1,25- 3,2 мкм |
|
σост |
МПа |
0,452 |
0,295 |
0,504 |
0,487 |
0,309 |
0,196 |
Растягивающие напряжения (σост)нач = 150-400 МПа |
|
HV |
ГПа |
0,436 |
0,310 |
0,491 |
0,539 |
0,512 |
0,235 |
Измерительное средство – МЕТ-У1 |
2. Использование технологических роботов при алмазном выглаживании поверхностей деталей обеспечивает получение на них высоких эксплуатационных показателей по параметрам шероховатости, микротвёрдости и состояния материала.
3. Обладая значительно более высокой жёсткостью, технологические системы с промышленными роботами являются незамкнутыми, что позволяет управлять процессами обработки на финишных операциях с целью получения требуемых эксплуатационных показателей качества поверхностного слоя деталей.
1. Суслов, А.Г. Инженерия поверхности детали / А.Г. Суслов, В.Ф. Безъязычный, Ю.В. Панфилов [и др.]. - М.: Машиностроение, 2008. - 426 с.
2. Бутенко, В.И. Стратегический инновационный менеджмент в станкостроении / В.И. Бутенко, Ю.П. Анкудимов, Ю.Г. Чернега. - Ростов н/Д: ДГТУ, 2015. - 264 с.
3. Бутенко, В.И. Финишная обработка поверхностей деталей: способы, устройства, инструменты / В.И. Бутенко. - Ростов н/Д: ДГТУ, 2016. - 219 с.
4. Кудинов, В.А. Динамика станков / В.А. Кудинов. - М.: Машиностроение, 1987. - 360 с.
5. Заковоротный, В.Л. Нелинейная триботехника / В.Л. Заковоротный. - Ростов н/Д: ДГТУ, 2000. - 293 с.
6. Заковоротный, В.Л. Аттракторы механических систем, взаимодействующих со средой / В.Л. За-коворотный // Известия ТРТУ. - 2001. - № 5. - С. 132 - 152.
